本發(fā)明涉及醫(yī)療器械，尤其涉及一種工具中心點(diǎn)間接測(cè)量方法、機(jī)器人導(dǎo)航方法及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、在基于視覺反饋的手術(shù)機(jī)器人工作環(huán)境下，由于存在紅外線深度相機(jī)坐標(biāo)系、反光球標(biāo)定器坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系等多個(gè)坐標(biāo)系，在實(shí)際的手術(shù)機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)中會(huì)涉及到不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換以及工具中心點(diǎn)(tool?center?point,tcp)的定位。

2、其中，龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器由光學(xué)定位球和剛性支架構(gòu)成并且直接安裝在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)上；tcp在紅外線深度相機(jī)坐標(biāo)系與工具坐標(biāo)系這兩個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別表示為eyeptcp＝[eyextcp,eyeytcp,eyeztcp]t,toolptcp＝[toolxtcp,toolytcp,toolztcp]t，基于這兩個(gè)坐標(biāo)，即可獲得兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)的變換矩陣即上述兩個(gè)坐標(biāo)滿足如下的變換關(guān)系變換矩陣的求解精度影響著后續(xù)手術(shù)機(jī)器人的控制精度，其中eyeptcp難以直接獲取，原因在于實(shí)際手術(shù)過程中，無法安裝反光球在tcp點(diǎn)位或者采用其它方式準(zhǔn)確獲取tcp的坐標(biāo)。

3、針對(duì)上述問題，目前已有的解決方案包括單約束點(diǎn)標(biāo)定法和雙目立體視覺的tcp檢測(cè)校準(zhǔn)方法?，F(xiàn)有的獲取tcp坐標(biāo)的方法主要有以下不足：

4、(1)現(xiàn)有技術(shù)需要建立在龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器的制造和安裝都較為精準(zhǔn)的情況下，才能獲得一個(gè)較為可靠的tcp坐標(biāo)eyeptcp，但是由于龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器制造與設(shè)計(jì)圖紙及安裝存在誤差，因此在設(shè)計(jì)圖紙中基于該標(biāo)定器所建立的工具坐標(biāo)系無法與制造后的實(shí)際工具坐標(biāo)系完全匹配，因而無法準(zhǔn)確的獲得tcp坐標(biāo)eyeptcp；

5、(2)在實(shí)際使用時(shí)，需要在tcp位置安裝光學(xué)定位球，才能獲得實(shí)際的eyeptcp；然而如圖1所示，現(xiàn)有方案通過在tcp所在的位置安裝光學(xué)定位球獲取的tcp坐標(biāo)并不能反映真實(shí)tcp坐標(biāo)，原因在于高精度定位下tcp坐標(biāo)定位誤差小于3mm，其光學(xué)定位球半徑2.9mm無法忽略；

6、(3)現(xiàn)有技術(shù)方案如申請(qǐng)?zhí)枮?023113654120的中國(guó)專利公開的，需要同時(shí)獲得光學(xué)定位標(biāo)定器上多個(gè)小球的坐標(biāo)信息、機(jī)械臂位姿信息，并且需要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，才能獲得眼睛坐標(biāo)系下tcp坐標(biāo)，但是由于利用了機(jī)械臂位姿的信息和多個(gè)小球的坐標(biāo)信息，這些信息的測(cè)量存在測(cè)量誤差，通過復(fù)雜的計(jì)算后會(huì)放大測(cè)量誤差，從而導(dǎo)致獲得的tcp坐標(biāo)不準(zhǔn)。

7、以上背景技術(shù)內(nèi)容的公開僅用于輔助理解本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)方案，其并不必然屬于本專利申請(qǐng)的現(xiàn)有技術(shù)，也不必然會(huì)給出技術(shù)教導(dǎo)；在沒有明確的證據(jù)表明上述內(nèi)容在本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)日之前已經(jīng)公開的情況下，上述背景技術(shù)不應(yīng)當(dāng)用于評(píng)價(jià)本技術(shù)的新穎性和創(chuàng)造性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種工具中心點(diǎn)間接測(cè)量方法、機(jī)器人導(dǎo)航方法及介質(zhì)，能夠高效快速且準(zhǔn)確地獲得工具中心點(diǎn)的位置。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種工具中心點(diǎn)間接測(cè)量方法，包括以下步驟：

4、在機(jī)器人的機(jī)械臂上設(shè)置一龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器，所述龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器上設(shè)置有若干定位球，確定所述龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系為第一工具坐標(biāo)系，所述第一工具坐標(biāo)系以工具中心點(diǎn)為原點(diǎn)；

5、利用紅外光學(xué)相機(jī)測(cè)量獲得在紅外坐標(biāo)系下第一定位球的紅外坐標(biāo)eyep1，所述紅外坐標(biāo)系為所述紅外光學(xué)相機(jī)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，所述第一定位球?yàn)槿舾伤龆ㄎ磺蛑械囊粋€(gè)；

6、基于公式確定紅外坐標(biāo)系下的工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)eyeptcp；其中，為所述第一工具坐標(biāo)系到所述紅外坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；根據(jù)若干所述定位球在第一工具坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及在所述紅外坐標(biāo)系中的坐標(biāo)獲??；toolc為第一補(bǔ)償量，其表示在所述第一工具坐標(biāo)系下所述第一定位球的坐標(biāo)到工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)toolptcp的第一補(bǔ)償量，toolc通過預(yù)先標(biāo)定獲得。

7、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，第一補(bǔ)償量toolc滿足以下關(guān)系：

8、toolptcp＝tool?p1+tool?c；

9、其中，toolp1為所述第一定位球在所述第一工具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，toolptcp為工具中心點(diǎn)在所述第一工具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

10、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，通過以下方式確定所述第一補(bǔ)償量toolc，包括：

11、預(yù)先配置所述機(jī)器人的機(jī)械臂為第一狀態(tài)，并確定在第一狀態(tài)下所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值eyeptcp_s；

12、在所述第一狀態(tài)下，利用紅外光學(xué)相機(jī)測(cè)量獲得所述第一定位球的第一紅外坐標(biāo)eyep1_s；

13、基于公式確定所述第一補(bǔ)償量toolc。

14、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，預(yù)先配置所述機(jī)器人的機(jī)械臂為多個(gè)狀態(tài)，并分別確定在每個(gè)狀態(tài)下，所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值以及所述第一定位球的第一紅外坐標(biāo)；

15、根據(jù)各個(gè)狀態(tài)下的所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值以及所述第一定位球的第一紅外坐標(biāo)，基于公式確定所述第一補(bǔ)償量toolc。

16、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，利用最小二乘法、線性回歸法、平均值方法、最小絕對(duì)偏差法、拉普拉斯分布法中的一種，以各個(gè)狀態(tài)下的所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值以及所述第一定位球的第一紅外坐標(biāo)為輸入，基于公式擬合獲得所述第一補(bǔ)償量toolc。

17、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，通過以下方式確定在第一狀態(tài)下所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值eyeptcp_s：

18、預(yù)先在機(jī)器人的末端設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)定位標(biāo)定器，所述標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)定位標(biāo)定器包括架體、若干小球和模擬針道，所述小球設(shè)置在所述架體上，所述模擬針道設(shè)置在所述架體的下方，所述模擬針道的末端與真實(shí)針道的末端重合；

19、確定所述標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)定位標(biāo)定器對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系為第二工具坐標(biāo)系，所述第二工具坐標(biāo)系以所述模擬針道的末端為原點(diǎn)，確定在所述第二工具坐標(biāo)系下的各個(gè)所述小球的第二工具坐標(biāo)；

20、利用紅外光學(xué)相機(jī)測(cè)量獲得在紅外坐標(biāo)系下各個(gè)所述小球的紅外坐標(biāo)；

21、根據(jù)各個(gè)所述小球的第二工具坐標(biāo)以及紅外小球確定所述工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的標(biāo)定值eyeptcp_s。

22、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，所述架體為四邊形剛性架體；和/或，

23、所述架體和所述模擬針道為一體成型結(jié)構(gòu)。

24、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，所述小球的數(shù)量為4個(gè)，4個(gè)所述小球呈不對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布設(shè)置在所述架體上。

25、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，第一補(bǔ)償量toolc滿足以下關(guān)系：

26、

27、其中，eyec為第二補(bǔ)償量，其表示在紅外坐標(biāo)系下所述第一定位球的坐標(biāo)到工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)的補(bǔ)償量。

28、進(jìn)一步地，承前所述的任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合，所述定位球的數(shù)量為4個(gè)，4個(gè)所述定位球分布設(shè)置在所述龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器上。

29、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人導(dǎo)航方法，基于如上任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合所述的工具中心點(diǎn)間接測(cè)量方法確定的紅外坐標(biāo)系下的工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)eyeptcp規(guī)劃?rùn)C(jī)器人導(dǎo)航路徑。

30、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)程序指令，所述程序指令被配置為調(diào)用而執(zhí)行如上任一技術(shù)方案或多個(gè)技術(shù)方案的組合所述的方法的步驟。

31、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果如下：

32、a.本發(fā)明提出的工具中心點(diǎn)間接測(cè)量方法利用預(yù)先確定的第一補(bǔ)償量toolc和一個(gè)定位球的紅外坐標(biāo)即可確定紅外坐標(biāo)系下tcp的坐標(biāo)eyeptcp，不僅在實(shí)際的手術(shù)過程中無需額外安裝光學(xué)定位球，并且計(jì)算簡(jiǎn)單、精度高且適用范圍廣；

33、b.本發(fā)明中的所述第一補(bǔ)償量toolc不會(huì)隨著紅外光學(xué)相機(jī)的安裝位置變化而變化，具體地，一旦所述龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器制作、安裝完成，所述第一補(bǔ)償量toolc不會(huì)發(fā)生改變，因此，能夠進(jìn)一步提高所確定的紅外坐標(biāo)系下tcp的坐標(biāo)eyeptcp的準(zhǔn)確性；

34、c.本發(fā)明提出了利用帶有模擬針道的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)定位標(biāo)定器預(yù)先標(biāo)定獲得第一補(bǔ)償量toolc，能夠消除龍頭光學(xué)定位標(biāo)定器制作、安裝帶來的誤差，不僅工具中心點(diǎn)的測(cè)量精度高，并且對(duì)光學(xué)標(biāo)定器的制造誤差和安裝誤差具有魯棒性。